Hochpräzise Messtechnologie für die Klimaforschung

Für die von der NASA für 2017 geplante Satellitenmission GRACE Follow-on (GRACE-FO) arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research (QUEST) in Hannover derzeit an einem hochpräzisen Lasersystem, welches neue Erkenntnisse bei der Erforschung des Klimawandels liefern soll.

Der deutsche Beitrag zu GRACE-FO wird federführend vom GeoForschungsZentrum in Potsdam koordiniert, die Lasertechnologie unter der Leitung des Albert-Einstein-Instituts Hannover (AEI, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover) entwickelt.

Deutschland fördert das deutsch-amerikanische Gemeinschaftsprojekt mit insgesamt 49,2 Millionen Euro, wovon 2,3 Millionen Euro für die Entwicklung des Lasersystems in Hannover zur Verfügung stehen.

Das Satellitenprojekt GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) erfasst seit 2002 Schwerefeldvariationen der Erde und liefert wertvolle Daten für globale Klimamodelle. Veränderungen im Schwerefeld treten auf, wenn sich zum Beispiel Meeresströmungen verlagern, Landmassen heben oder senken oder die polaren Eismassen abschmelzen. Präzise Messtechnologie auf Basis von Mikrowellen erfasst diese Änderungen im Erdschwerefeld über die Abstände zwischen zwei Satelliten und die auf die Satelliten wirkenden Beschleunigungen. Der Abstand zwischen den beiden Satelliten beträgt circa 200 Kilometer.

„Die monatlichen Schwerefelder, die wir seit 2002 aus den Abstandsmessungen des GRACE-Mikrowelleninstruments abgeleitet haben, werden bei GRACE-FO noch einmal wesentlich verbessert. Dies wird zu zuverlässigeren Aussagen zum Klimawandel führen. Mit seiner Expertise zu den Grundlagen der Gravitation und experimentellen Methoden ist das Albert-Einstein-Institut in diesem Projekt ein idealer Partner für das GFZ“, sagt Prof. Dr. Frank Flechtner vom GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam, Koordinator des deutschen Beitrags für GRACE-FO.

Die bisherige Abstandsmessung mithilfe von Mikrowellen bei GRACE wird im Nachfolgeprojekt GRACE-FO durch ein sogenanntes Laserinterferometer ergänzt werden. Das Herzstück des Systems ist eine optische Bank, auf der die laserbasierte, interferometrische Abstandsmessung stattfindet. Auf beiden Satelliten wird sich je eine solche Bank befinden, um das vom anderen Satelliten ausgesandte Laserlicht zu empfangen und mit dem lokalen Laserstrahl zu überlagern.

Dies führt zu einer Messung der relativen Phase des Lichtes, welche proportional zum Abstand ist. Mit dieser Methode lässt sich die Abstandsmessung zwischen den Satelliten um einen Faktor 10 verbessern, um so eine noch präzisere Auskunft über die Massenverteilung auf unserem Planeten zu erhalten. „Wir sind sehr glücklich, mit unserer Methode aus der Gravitationswellenforschung jetzt auch zur Klimaforschung beitragen zu können. Veränderungen im Schwerefeld der Erde werden mit nie da gewesener Präzision erfasst werden können“, so Prof. Dr. Karsten Danzmann, Direktor am Albert-Einstein-Institut und Professor an der Leibniz Universität Hannover.

„Mit unserem System wollen wir den Abstand der Satelliten zueinander bis in den Sub-Mikrometerbereich, also dem Millionstel eines Meters, genau vermessen“, erklärt Dr. Gerhard Heinzel, Physiker am Albert-Einstein-Institut in Hannover. Die Anforderungen an das Lasersystem sind hoch. Eine der großen Herausforderungen besteht zum Beispiel darin, stabile optische Komponenten für den Einsatz im Weltraum zu entwickeln. „Mit GRACE Follow-on wird erstmalig Laserinterferometrie zwischen Satelliten zum Einsatz kommen. Wir betreten damit absolutes Neuland und müssen das ganze System so entwickeln, dass es einerseits sehr kompakt wird und gleichzeitig über mehrere Jahre den extremen Bedingungen im All Stand hält und zuverlässige Daten liefert,“ so Heinzel.
Sollte das neue Lasersystem ausfallen, wird GRACE-FO über die bewährte Mikrowellentechnologie weiterhin wichtige Schwerfeldinformationen für die globale Klimaforschung liefern. Das GeoForschungsZentrum Potsdam koordiniert alle deutschen Anteile an der geplanten Satellitenmission und wertet die wissenschaftlichen Daten aus.

GRACE Follow-on ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und des GeoForschungsZentrums Potsdam in Zusammenarbeit mit dem Albert-Einstein-Institut Hannover, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie den industriellen Partnern SpaceTech und Astrium. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung, das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie und die Helmholtz-Gemeinschaft fördern das gesamte Satellitenprojekt mit insgesamt 49,2 Millionen Euro.

Hinweise für Redaktionen:
Für weitere Informationen stehen Ihnen Dr. Gerhard Heinzel am Institut für Gravitationsphysik unter Telefon +49 511 762 19984 oder per E-Mail unter gerhard.heinzel@aei.mpg.de, Benjamin Knispel vom Albert-Einstein-Institut unter Telefon +49 511 19104 oder per E-Mail unter benjamin.knispel@aei.mpg.de sowie Dr. Ude Cieluch vom Exzellenzcluster QUEST unter Telefon +49 511 762 -17481 oder per E-Mail unter ude.cieluch@quest.uni-hannover.de gerne zur Verfügung.